NACHHALTIGKEIT LEISTUNGSZENTRUM FREIBURG

LEISTUNGSZENTRUM
NACHHALTIGKEIT FREIBURG
ACTIPIPE: NACHHALTIGE KÜHLKONZEPTE – AKTIV-HEATPIPES ZUR
UMWELTFREUNDLICHEN UND EFFIZIENTEN KÜHLUNG
Heute werden fast alle Kälte- und Klimasysteme durch konventionelle kompressor- bzw. kältemittelbasierte Kühltechnik betrieben.
Allerdings hat diese Technologie einige schwerwiegende Nachteile:
Alle heutigen Kältemittel weisen ein mehr oder weniger großes
Treibhauspotenzial auf. Trotz entsprechender Recycling-Verordnungen gelangen von den Kältemitteln auch in Deutschland enorme
Mengen in die Atmosphäre. Nach einer Studie der Deutschen Umwelthilfe entspricht das dadurch verursachte Treibhauspotential 5,9
Millionen Tonnen CO2, genau so viel, wie der gesamte Autoverkehr
in Sachsen. Neben Umweltschädlichkeit sind aber auch niedrige
Effizienz, Geräuschemission und geringe Lebensdauer prinzipielle
Nachteile der heute verwendeten Kompressortechnologie.
Ziel des Projektes ActiPipe ist es, die Grundlagen für ein neues
Kühlsystem basierend auf einer Kombination von Heatpipes mit magnetokalorischen Materialien mit zu entwickeln (Patent eingereicht).
Heatpipes sind durch das Ausnutzen von Verdampfungs- und Kondensationsenthalpie in der Lage, Wärme äußerst effizient zu transportieren, und das ohne die Verwendung von Pumpen. Gleichzeitig
können Heatpipes so ausgelegt werden, dass sie als thermische Diode fungieren, Wärme also nur in eine Richtung transportieren.
Durch die Kombination magnetokalorischer Materialien mit Heatpipes lässt sich eine »aktive Heatpipe« realisieren, die Wärme aktiv,
d. h. auch entgegengesetzt zu einem Temperaturgefälle, pumpen
kann. Magnetokalorische (MK) Materialien erwärmen sich um ΔT,
wenn man sie einem magnetischen Feld aussetzt, und kühlen sich
um ΔT wieder ab, sobald man das Feld entfernt. Hierdurch lässt sich
ein Kühlzyklus realisieren, siehe Abbildung 1.
Kühlsysteme auf Basis von MK-Materialien bieten gegenüber der
konventionellen Kompressor-Technologie zahlreiche prinzipbedingte Vorteile:
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Potentiell um 20 –30 % höhere Wirkungsgrade
keine klimaschädlichen und gesundheitsschädlichen Kältemittel
mit Treibhauspotential sind nötig
keine verschleißanfälligen Teile, dadurch minimaler Wartungsbedarf
geräuscharmes Arbeiten
Abbildung 2: Ergebnisse einer Simulation zum Verhalten eines zweiphasigen Fluids.
(© Uni Freiburg)
Abildung 1: Prinzip der magnetokalorischen Klimatechnik:
Magnetisierung: Magnetokalorisches (MK) Material wird einem magnetischen Feld
ausgesetzt und erwärmt sich auf Grund der erzeugten magnetischen Ordnung von der
Temperatur T0 auf T0+ΔT.
Wärmeabfuhr: Das MK-Material wird mit einer Wärmesenke verbunden, sodass die
entstandene Wärme abgeführt werden kann, das MK-Material nimmt wieder die
Temperatur T0 an.
Entmagnetisierung: Wird nun das magnetische Feld entfernt, kühlt sich das MK-Material
ab und befindet sich auf einer niedrigeren Temperatur T0-ΔT als zu Beginn des Zyklus.
Wärmeinput: Das MK-Material wird nun mit der zu kühlenden Stelle verbunden und
kann Wärme aufnehmen, bis es wieder die Temperatur T0 erreicht hat.«
(© Fraunhofer IPM)
Kontakt
Dr. Kilian Bartholomé
Fraunhofer-Institut für Physikalische Messtechnik IPM
[email protected]
Dr. Martin Nolte
Albert-Ludwigs-Universität Freiburg
Abteilung für angewandte Mathematik
[email protected]
Diese Eigenschaften, der hocheffiziente Transport von Wärme sowie
die Funktion als thermische Diode sollen im Projekt ActiPipe ausgenutzt werden, um die Grundlage für hocheffiziente kältemittelfreie
Klimasysteme auf Basis magnetokalorischer Materialien zu legen.
Für die optimale Auslegung einer aktiven Heatpipe ist allerdings ein
detailliertes Verständnis der darin ablaufenden Prozesse Grundvoraussetzung. Die Abteilung für Angewandte Mathematik der AlbertLudwigs-Universität Freiburg wird die fluiddynamischen Prozesse
in einer aktiven Heatpipe simulieren und somit die Basis für eine
Optimierung der Kerngrößen einer solchen Heatpipe legen. Das
Fraunhofer IPM baut und charakterisiert diese Systeme, wodurch
die Simulationen verifiziert werden können und die wissenschaftliche
Basis für den späteren Bau hocheffizienter, kältemittelfreier Klimasysteme auf Basis magnetokalorischer Materialien gelegt wird.
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